Диссертация (1149805), страница 4
Текст из файла (страница 4)
А. Кистяковский развил плёночную (фильмовую)теорию коррозии [31; 34; 40], согласно которой, на поверхности железа, помещённого в кислоту образуется тонкая стекловидная плёнка, предотвращающаярастворение [2; 33; 36; 41]. Дж. Астон в 1916 г. объяснил, что электрический токвозникает между различными частями металлического предмета или за счётразницы напряжений при контакте между гетерогенными проводниками, илииз-за локальной разницы концентраций кислорода [31; 34].Британский учёный Ю. Р. Эванс в 1930 г. доказал появление в некоторыхусловиях защитной плёнки на поверхности металлов, увидев её под микроскопом.
Его научные труды имели исключительное значение в понимании коррозионного процесса [33; 34].В работе [33] 1935–1960 годы названы «классическим» периодом исследования коррозии, а последующие годы — «модерном». С 1935 г. стали активноразвиваться термодинамический и кинетический подходы к пониманию кор-18розии. Развитие техники и появление новых материалов позволило провестимножество экспериментальных исследований. Небольшая часть работ посвящена теоретическим исследованиям. Большое значение имели труды МарселяПурбе (Pourbaix), К. Вагнера (Wagner), У. Трауда (Traud), Иосифа ЛьвовичаРозенфельда, Никона Даниловича Томашова, Георгия Владимировича Акимова, Г. Улига (Uhlig) и др.Тогда же окончательно сформировалось понятие коррозии как разрушения материала вследствие химических реакций с компонентами окружающейсреды.
Были предложены новые методы защиты металла от коррозионного воздействия, модели коррозионной кинетики, описаны особенности различных коррозионных процессов.1.2Модели коррозииПредставление о кинетическом характере разрушения материалов описано ещё Абрамом Фёдоровичем Иоффе [42] и позднее развивалось в трудахмногих учёных, например [43–45]. Коррозионное разрушение в полной мере соответствует этому представлению. Более того, отмечалось, что в теле могутодновременно протекать несколько конкурирующих процессов разрушения [46].По механизму протекания в современной литературе различают химическую коррозию (которая не сопровождается электрохимическими процессами на границе металл–среда) и электрохимическую коррозию (протекающуюв присутствии электролита) [1; 2; 5; 6; 33; 36].
По типу повреждений выделяют сплошную (общую) и местную (локальную) коррозию [1; 2; 5; 6; 33; 35; 36].Сплошная коррозия, которая характеризуется практически одинаковой скоростью растворения по всей поверхности материала, называется равномерной [1; 2; 5; 33; 35; 36]. При местной коррозии возникают локальные участки повреждений на поверхности в виде язв, пятен, питтингов, трещин и т. д., в товремя как основная поверхность материала не корродирует, или корродирует созначительно меньшей скоростью [1; 2; 5; 33; 35; 36].
В некоторых условиях проис-19ходит слияние множественных язв или питтингов — делокализация коррозии,что приводит к снижению скорости растворения [47; 48].Отметим, что согласно ГОСТ 5272-68 [49], скорость коррозии — это потери единицы поверхности металла в единицу времени вследствие коррозионныхповреждений, в то время как для глубины коррозионного разрушения в единицу времени используется термин «скорость проникновения коррозии». Однакопоскольку в научной литературе по данной тематике [5; 9; 50–53] вместо термина «скорость проникновения коррозии» часто пишут «скорость коррозии», вданной работе будем использовать словосочетание «скорость коррозии», подразумевая под ним «скорость проникновения коррозии».Модели сплошной коррозииСплошную коррозию, скорость которой практически одинакова по всейповерхности, называют равномерной.
Равномерная коррозия является одним изнаиболее распространённых видов коррозионного износа, приводящих к значительным потерям металла [1; 2; 5; 33; 35; 36].На скорость коррозии оказывают влияние множество факторов: химическое сродство материала и окружающей среды, температура, давление идр.
[1; 5; 35; 36; 54–57]. На рубеже XIX–XX вв. был открыт так называемый «механохимический» эффект: было отмечено, что в некоторых условиях скоростькоррозии может увеличиваться при увеличении механических напряжений втеле [1; 35; 58]. При этом ущерб от совместного действия коррозии и напряжений оказывается более существенным, чем при простом «наложении» повреждений, вызванных механической нагрузкой, и влиянием агрессивной среды, действующих по отдельности [1; 5; 50; 59; 60].
Следовательно долговечностьконструкций, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию нетолько механического нагружения, но и агрессивных сред, снижается. Длясплошной коррозии, при которой наблюдается механохимический эффект, Эммануилом Марковичем Гутманом был введён термин «механохимическая коррозия» [1].Было предложено несколько вариантов зависимости скорости коррозииметаллов от напряжений: линейная [8; 9; 52; 61] (позже её подтвердили опыты,проведённые авторами [5]), экспоненциальная [1; 62; 63], квадратичная [8; 61; 64;2065] и некоторые другие модели [8; 61]. Под напряжением в этих зависимостяхпонимается какое-либо эквивалентное напряжение, например, интенсивностьнапряжений, максимальное нормальное напряжение, среднее напряжение и т.
д.Наиболее широко в инженерных расчётах используется линейная зависимость скорости проникновения механохимической коррозии от напряжения:v = v 0 + mσ,(1.1)где v 0 и m — постоянные, определяемые опытным путём, σ — эквивалентное напряжение. C использованием зависимости (1.1) аналитически решенынекоторые задачи прочности и долговечности подверженных механохимической коррозии тонких пластин и оболочек, а также стержневых конструкций [8; 9; 51; 66–70].Экспоненциальная зависимость скорости коррозии от напряжений применялась в работах [1; 71; 72].При механохимической коррозии нагруженных стержней, пластин и оболочек их толщина уменьшается вследствие коррозионного растворения.
Утонение приводит к возрастанию напряжений (при постоянной нагрузке), что, всвою очередь, ускоряет коррозионный процесс, вызывая ещё более быстрое утонение и т. д. Таким образом, для моделирования процесса механохимическойкоррозии необходимо исследовать начальные краевые задачи с неизвестнымипеременными границами.В работе [73] численно исследованы три модели механохимического износа толстостенной цилиндрической оболочки, основанные на следующих зависимостях скорости коррозии от напряжений: линейной [9], экспоненциальной [1]и квадратичной [73].
Показано, что рассчитанные согласно этим моделям результаты отличаются друг от друга не более, чем на 10%. В [74] с использованием экспоненциальной и линейной зависимостей решена задача оптимизацииначальных размеров цилиндрической оболочки, подвергающейся механохимическому и химическому разрушению, согласно критериям долговечности и стоимости. В работах М. М. Фридмана приведены численные результаты решения задачи оптимизации (по критерию минимальной массы) начальной формынепризматических сжатых стоек: в [75] — для прямоугольного и круглого сече-21ний при предположении линейной зависимости скорости коррозии от напряжений; в [76] — для прямоугольного сечения с помощью экспоненциальной модели,в [77] — для круглого сечения с помощью экспоненциальной модели.
Устойчивость тонкостенной сферической оболочки под действием внешнего давления иравномерной внутренней коррозии численно исследована в [78] в предположении экспоненциальной зависимости скорости коррозии от напряжений.Согласно экспериментальным данным [5], в некоторых системах металл–среда существует пороговое напряжение σ th (определяемое экспериментально)такое, что скорость коррозии металлов при простом и сложном напряжённомсостоянии практически не зависит от напряжения при |σ| 6 |σ th |, а в случае|σ| > |σ th | зависимость близка к линейной.
Таким образом, скорость коррозииметаллов хорошо описывается кусочно-линейной зависимостью:v = v 0 , |σ| 6 |σ th |;v = v 0 + m(σ − σ th ), |σ| > |σ th |.(1.2)В некоторых случаях влияние агрессивной среды моделируется введениемв общую систему уравнений уравнения диффузии, коэффициент которой такжеможет быть линейной функцией от напряжений [79].Изменение скорости коррозии даже при постоянных механических напряжениях (например, затухание коррозионного процесса из-за образования на поверхности материала плотной плёнки окислов) можно учитывать введениемэкспоненциального сомножителя [5; 80]:v = [v 0 + mσ] exp(−bt).(1.3)Коэффициент затухания b определяется экспериментально.Учёт температурного влияния (если температура среды превышает пороговое значение температуры T th ) также производится с помощью дополнительного экспоненциального сомножителя [5]:v = [v 0 + mσ] exp(−bt) exp β(T − T th ) .(1.4)22Значения постоянных v 0 , m, β и порогового значения температуры T thопределяются экспериментально; в общем случае они различны для сжатия ирастяжения [5].В формулах (1.1)–(1.4) знак коэффициента m совпадает со знаком эквивалентного напряжения σ [5].По свидетельству авторов [81], эффект знака деформации впервые былотмечен в исследовании [82].
В работах [65; 83] Анатолий Иванович Русановобъясняет эффект знака деформации существованием поверхностного натяжения.Отдельной задачей является выбор эквивалентного напряжения при сложном напряжённом состоянии. Для пластин и оболочек в качестве эквивалентного напряжения используют среднее напряжение [1], интенсивность напряжений [51; 74; 84–86] и максимальное нормальное напряжение [8; 70]. В работе [5]описаны опыты, показавшие, что наилучшее совпадение с опытными данными наблюдается при использовании максимального нормального напряжения вкачестве эквивалентного.В работах [87–89], посвящённых задачам механохимии для силикатов, подчёркивается тензорный характер химического сродства.Большинство задач о механохимической коррозии из-за их сложности решается численными методами (например, [52; 73; 75–77; 90; 91]).
Лишь часть работ посвящена выводу аналитических решений задач о механохимическом износе пластин и оболочек. Ранее аналитические решения были получены дляслучаев, когда скорости коррозии непосредственно выражаются через один переменный параметр (например, [8; 9; 51; 68–70]).В [10] разработан метод решения задач о двусторонней коррозии сферических и цилиндрических элементов, для тех ситуаций, когда скорости коррозиина внешней и внутренней поверхностях зависят от двух меняющихся во временивзаимозависимых параметров и, более того, затухают со временем [25;92–98]. Вработе [98] задача механохимической коррозии толстостенной сферы решена сиспользованием интенсивности напряжений в качестве эквивалентного напряжения (ускоряющего коррозионное растворение).
Представленная диссертационная работа является продолжением этих исследований.23Подробные обзоры различных моделей разных типов коррозии и решённых с их помощью задач приведены в [52; 99].В работе [7] так же подчёркивается, что вследствие коррозионного растворения стенок сосудов давления и их утонения происходит увеличение кольцевыхрастягивающих напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
